TR2021019653A2 - Integrated gas distribution plate for high temperature electrochemical hydrogen compressors. - Google Patents

Integrated gas distribution plate for high temperature electrochemical hydrogen compressors.

Info

Publication number
TR2021019653A2
TR2021019653A2 TR2021/019653 TR2021019653A2 TR 2021019653 A2 TR2021019653 A2 TR 2021019653A2 TR 2021/019653 TR2021/019653 TR 2021/019653 TR 2021019653 A2 TR2021019653 A2 TR 2021019653A2
Authority
TR
Turkey
Prior art keywords
gas
gas distribution
cell
plate
electrochemical hydrogen
Prior art date
Application number
TR2021/019653
Other languages
Turkish (tr)
Inventor
Devri̇m Yilser
Nur Bulanik Durmu Gi̇zem
Ozgur Colpan Can
Original Assignee
Atilim Üni̇versi̇tesi̇
Dokuz Eylül Üni̇versi̇tesi̇
Filing date
Publication date
Application filed by Atilim Üni̇versi̇tesi̇, Dokuz Eylül Üni̇versi̇tesi̇ filed Critical Atilim Üni̇versi̇tesi̇
Priority to PCT/TR2022/051454 priority Critical patent/WO2023107080A2/en
Publication of TR2021019653A2 publication Critical patent/TR2021019653A2/en

Links

Abstract

Buluş, hücrelerde homojen bir gaz dağılımı ve daha az basınç düşmesi sağlamak üzere geliştirilmiş, gaz hücreye girdikten sonra elek yapısındaki titanyum plaka üzerinden hücreye dağılmasını sağlayan ve plakanın gözenekli yapısı nedeniyle gaz difüzyon tabakasına daha homojen gaz aktarımı sağlayan birleştirilmiş gaz dağıtım plakası ile ilgilidir.The invention is related to the combined gas distribution plate, which was developed to provide a homogeneous gas distribution and less pressure drop in the cells, allowing the gas to be distributed into the cell over the titanium plate in the sieve structure after entering the cell, and providing a more homogeneous gas transfer to the gas diffusion layer due to the porous structure of the plate.

Description

TARIFNAME YÜKSEK SICAKLIK ELEKTROKIMYASAL HIDROJEN KOMPRESÖRLERI IÇIN ENTEGRE GAZ DAGITIM PLAKASI Bulusun ilgili oldugu teknik alan: Bulus, hücrelerde homojen bir gaz dagilimi ve daha az basinç düsmesi saglamak üzere gelistirilmis, gaz hücreye girdikten sonra elek yapisindaki titanyum plaka üzerinden hücreye dagilmasini saglayan ve plakanin gözenekli yapisi nedeniyle gaz difüzyon tabakasina daha homojen gaz aktarimi saglayan birlestirilmis gaz dagitim plakasi ile ilgilidir. Teknigin bilinen durumu: Hidrojen (1-12) enerjisinin en önemli uygulama alanlarindan biri olan yakit hücresi sistemleri pek çok uygulamada ticari olarak kullanilmaya baslanan teknolojilerdir. Ancak bu sistemlerin ticarilestirilmesi önünde ekonomik, lojistik gibi bazi faktörler mevcuttur. Özellikle HZ basinçlandirma, saklama ve sevkiyat ile ilgili güçlükler HZ tedarik maliyetinin oldukça yükselmesine neden olmaktadir. Hz'nin yerinde üretildigi sistemlerde basinçlandirma için hâlihazirdaki kompresör teknolojileri hem yatirim maliyeti hem de bakim, onarim maliyetleri olarak pahali ve düsük verimli sistemlerdir. Yüksek maliyetli klasik Hz kompresörlerine alternatif olarak yüksek verim ve kapasiteye sahip Elektrokimyasal Hidrojen Kompresörleri (EKHK) son yillarda Hz basinçlandirma ve saflastirma için kullanilmaya baslamis sistemlerdir. EKHK sistemlerinin klasik yöntemlere göre pek çok avantaji bulunmaktadir. EKHK sistemlerinin geleneksel sistemlere göre daha küçük olmasi, ayni miktar gazi ayni basinca daha küçük hacim ve agirlikta daha verimli bir sekilde sikistirmasini saglamaktadir. Bu sistemler herhangi bir hareketli parça içermedigi için sikistirma islemi sirasinda ariza çikma riski, bakim onarim maliyetleri ve gürültü seviyesi düsüktür. Geleneksel kompresör sistemlerinde kullanilan yag ve metal, kompresör parçalarinda Hz gevrekligi sebebiyle asinmalara neden olup basinçlanma sirasinda Hz'nin kirlenmesine sebep olmaktadir. Elektrokimyasal Hidrojen Kompresörlerinde yag gereksinimi olmadigindan, sikistirma islemi ile yüksek saflikta Hz elde edilir. EKHK, uygulama türüne göre konvansiyonel sistemlerden daha kolay ölçeklendirilebilir. Elektrokimyasal Hidrojen Kompresör sistemlerinde Hz saflastirilma orani sisteme beslenen gaz içerigi, hücrede kullanilan bilesenler ve hücre tasarimina baglidir. Hücre tasariminda da Elektrokimyasal Hidrojen Kompresör (EKHK) sistemlerinde performansi etkileyen en önemli parametrelerden biri hidrojenin ve/veya reformat gaz karisiminin hücrelere dagitildigi gaz dagitim kanallarinin tasarimidir. Elektrokimyasal Hidrojen Kompresörlerin gaz akis kanallari, özellikle su tahliyesi, akis hizi, basinç düsüsü, mekanik mukavemet ve sicaklik dagilimi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Sistemde gaz dagitim kanali geometrisi homojen bir gaz dagilimi olacak sekilde tasarlanmalidir. Ayrica elektrokimyasal hidrojen kompresörde saflastirmanin yani sira H2 basinçlandirmasinin da yapilacagi için basinç düsüsünü minimuma indirecek bir akis geometrisi kullanilmalidir. Yüksek basinç nedeni ile hücrede kullanilan gaz dagitim plakalarinin hem etkin bir gaz dagitimi yapmalari hem de yüksek basinçlara dayanikli olmasi gerekmektedir. Teknigin bilinen durumunda bulunan "AU3054092A" numarali doküman, yakit hücreleri için gaz akis kanallarina sahip membran elektrot birlesimi ile ilgilidir. Elektrot malzemesi içine gaz akis geçitlerinin dahil edilmesi, ince, hafif ayirici katmanlarin kullanilmasina izin vermektedir. Böylece oyulmus, ögütülmüs veya kaliplanmis gaz akis geçitlerine sahip geleneksel yakit hücrelerine göre daha yüksek güç-hacim ve güç-agirlik oranlari saglamaktadir. Bulusa konu olan çalismada halihazirda bilinen EKHK'lerinde performansi arttirmak için yeni gaz dagitim plakalari gelistirilmistir. Bu çalismada MEA yapisi membran, katalizör ve gaz difüzyon tabakasi bulunmaktadir. yakit hücresi sistemi veya bir elektrokimyasal kompresör sistemi gibi bir elektrokimyasal sistemlerde düsük maliyetlerle hücre yiginindaki açikliklarin güvenli bir sekilde kapatilmasinin saglandigi bir sistemi açiklamaktadir. Kaplamada silikon, viton veya EPDM (etilen/propilen-dien terpolimer) gibi elastomer, malzemeler kullanilmaktadir. Sizdirmazlik saglanmasi ile hidrojen difüzyonunun conta tarafindan son derece düsük bir dereceye düsürülmesi saglanmaktadir. olarak baglanan yamuk sekilli elektrokimyasal hücre yigini tasarimi, özellikle de hidrojene ve hava temelli iki reaktant gazin bir arada kullanildigi yakit hücresi gibi elektrokimyasal sistemlerde hücre performansinin artmasi için gelistirilen standart dikdörtgen sekilli sistemlerden farkli yamuk geometrisine sahip farkli hücre tasarimini açiklamaktadir. Elektrokimyasal hücre yigininda önerilen yamuk seklinden dolayi gaz giris tarafi uzunlugu ve gaz çikis tarafi uzunlugundan farklilik göstermektedir. Belirtilen sistemde standart dikdörtgen seklindeki elektrokimyasal hücrelere göre daha düsük gaz stokiyometrisi elde edilmektedir. Bu sekilde hidrojen devridaim cihazlarinin tasarimini kolaylasmakta, hava stokiyometrisi azaldigi için kullanilmasi gereken hava kompresörünün için gereken güç miktarini azalmakta ve böylece elektrokimyasal hücre verimliligini artmaktadir. Elektrokimyasal hidrojen kompresör yiginina giren Hz ve/veya Hz içeren gaz karisimlarinin akisini yönlendiren gaz dagitim plakalarinin tasarimi hem anot hem katot tarafinda basinç düsmesini ve dolayisiyla elektrokimyasal hidrojen kompresör performansini etkileyen önemli bir parametredir. Mevcut uygulamalarda kullanilan gaz dagitim kanali geometrileri incelendiginde elektrokimyasal hidrojen kompresör çalismalarinda siklikla proton degisim membran yakit hücrelerine benzer gaz dagitim plakalarinin kullanildigi görülmektedir. Ancak elektrokimyasal hidrojen kompresör ile PEM yakit hücrelerinin çalisma prensipleri farklidir ve elektrokimyasal hidrojen kompresörde yüksek basinç çalisma kosullari nedeni ile mekanik dayanimi yüksek ve etkin gaz dagitimina sahip bilesenler kullanilmalidir. Özellikle PEM yakit hücrelerinde siklikla kullanilan grafit ve benzeri malzemelerden yapilmis gaz akis kanallarina sahip gaz dagitim plakalari elektrokimyasal hidrojen kompresörün çalisma kosullarina uygun degildir. Mevcut sistemlerde genellikle Hz ve/veya Hz içeren gaz karisimlarinin hücreye dagilmasi için üzerinde tüm plaka boyunca akis kanali olan bipolar plakalar kullanilmakta ve bipolar plakaya temas eden hücre gaz difüzyon tabakasi üzerinden gazlar membrana ilerlemektedir. Bu durumda da hücre akis kanali üzerinden ilerlerken gaz difüzyon tabakasina temas ettigi ve akis kanali boyunca basinç düsmesi oldugu için hücre performansinda düsme olmaktadir. Klasik PEM yakit hücreleri ve Elektrokimyasal Hidrojen Kompresör sistemlerinde gaz dagitimi için bipolar plakalar kullanilmaktadir. Bu klasik bipolar plakalarda gazlarin akisini saglayan akis kanallari tüm plaka boyunca bulunmakta ve bipolar plakanin hemen önünde bulunan membran elektrot birimine (MEA) gazlarin erisimini saglamaktadir. Hücrede bulunan membran elektrot birimi (MEA) proton geçirgen bir membran ve her iki yüzeyinde katalizör ile kaplanmis gaz difüzyon tabakasindan olusmaktadir. Bu difüzyon tabakasi gaz dagitim plaklarindan tamamen farkli bir bilesendir. Plaka boyunca akis kanalina sahip bipolar plaka kullanilan sistemlerde gazlarin akis kanalinda akisi boyunca basinç düsmesi meydana gelmektedir. Bu durum EKHK sistemlerinde yüksek basinçlandirma kosullarinda probleme yol açmaktadir. PEM yakit hücreleri disinda bazi elektrolizör ve elektrokimyasal hidrojen kompresör sistemlerinde bipolar plaka olarak titanyum gözenekli plakalar da kullanilabilmektedir. Ancak bu durumda da akis kanali olmamasi nedeni ile hücreye giren gazlar gözenekli yapidan hizli bir sekilde hücreye girmekte ve beslenen gazin bir kismi reaksiyona girmeden hücreden çikmaktadir. Hücreye giren gaz MEA üzerinde homojen olarak da dagilamamaktadir. Bu durum sistemlerde istenmeyen verim kaybina yol açmaktadir. Sonuç olarak yukarida anlatilan olumsuzluklardan dolayi ve mevcut çözümlerin konu hakkindaki yetersizligi nedeniyle ilgili teknik alanda bir gelistirme yapilmasi gerekli kilinmistir. Bulusun Kisa Açiklamasi ve Amaçlari Bulusun en önemli amaci, hücre içinde özellikle MEA yapisina destek olarak hem yüksek basinçlara dayanimin saglanmasi hem de hücrelerde homojen bir gaz dagitiminin elde edilmesidir. Gelistirilen birlestirilmis gaz dagitim plakasi ile gaz hücreye girdikten sonra elek yapisindaki titanyum plaka üzerinden hücreye dagilmaktadir. Plakanin gözenekli yapisi sayesinde de gaz difüzyon tabakasina daha homojen dagilmaktadir. Böylelikle hücrelerde homojen bir gaz dagilimi ve daha az Bulusun bir diger amaci ise, anot ve katot arasinda bulunan membranin safsizliklara karsi yüksek tolerans, yüksek sicaklik direncine, düsük gaz geçirgenligine ve hidrojen basinçlandirmasi için yüksek mekanik dayanima sahip olabilmesidir. Bu amaçla membran çalisma kosullarina dayanabilecek bir malzemeden mamul edilmistir. Bulusun bir diger amaci ise, hücreye beslenen gazlarin katalizör tabakasina basinç - düsmesi olmadan homojen dagiliminin saglanmasidir. Sekillerin Açiklamasi: SEKIL-1; Bulus konusu sistemde anot ve katot tarafi gaz dagitim kanali tasarimini veren çizimdir. SEKIL-2; Bulus konusu sistemde titanyum elek gaz dagitim medyasi ile bütünlestirilmis anot tarafi gaz dagitim kanali tasarimini veren çizimdir. SEKIL-3; Bulus konusu sistemde gaz dagitim plakasinin demonte haldeki elektrokimyasal hidrojen kompresörü içindeki görünümünü veren çizimdir. SEKIL-4; Bulus konusu sistemde gelistirilen birlestirilmis gaz dagitim kanalinin elektrokimyasal hidrojen kompresör hücresi içinde yerlestirilmis halinin görünümüdür. SEKIL-5; Bulus konusu birlestirilmis gaz dagitim kanalinin teknik çizimini veren çizimdir. SEKIL-B; Mevcut sistemde bulunan elektrokimyasal hidrojen kompresörlerinde bipolar Bulusu Olusturan UnsurlarinlParçalarin Tanimlari Bu bulus ile gelistirilen çift katmanli gaz dagitim plakasinin daha iyi açiklanabilmesi için sekillerde yer alan parça ve unsurlar numaralandirilmis olup, her bir numaranin karsiligi asagida verilmektedir: Sikistirma plakasi Gaz dagitim plakasi Titanyum elek plakasi Gaz difüzyon elektrot Membran elektrot tabakasi 8. Birlestirilmis gaz dagitim plakasi A.'I Anot gaz girisi A.2 Anot gaz çikisi K.1 Katot gaz çikisi Bulusun Avrintili Açiklamasi Bulus, hücrelerde homojen bir gaz dagilimi ve daha az basinç düsmesi saglamak üzere gelistirilmis, gaz hücreye girdikten sonra elek seklinde titanyum plaka üzerinden hücreye dagilmasini saglayan plakanin gözenekli yapisi nedeniyle gaz difüzyon tabakasina daha homojen gaz aktarimi saglayan birlestirilmis gaz dagitim plakasi (8) ile ilgilidir. Hücre bilesenleri; sikistirma plakasi (1), conta (2), gaz dagitim plakasi (3), titanyum elek plakasi (4), gaz difüzyon elektrot (5), membran elektrot tabakasi (6) ve kanaldir (7). Birlestirilmis gaz dagitim plakasi (8) ise gaz dagitim plakasi (3), titanyum elek plakasindan (4) olusmaktadir ve gaz dagitim plakasinda da (3) kanallar (7) bulunmaktadir. Sikistirma plakasi (1) Elektrokimyasal Hidrojen kompresörünü bir araya getiren bir bilesendir. Kompresörün anot (A) ve katot (K) tarafinda bulunan sikistirma plakalari (1) yüksek basinçlarda kullanim nedeniyle vida ile hücrede gaz kaçagi olmayacak sekilde sikistirilmaktadir. Sistemin performansini etkileyen en önemli bilesenlerden birisi membran elektrot tabakasidir (6). Membran elektrot tabakasi (6) anot (A) ile katot (K) arasinda bulunmaktadir. Anot (A), katot (K) ve diger unsurlar ile birlikte membran elektrot birimini olusturmaktadir. Membran elektrot tabakasi (6) safsizliklara karsi yüksek toleransa, yüksek sicaklik direncine, düsük gaz geçirgenligine ve hidrojen basinçlandirmasi için yüksek mekanik dayanima sahiptir. Membran elektrot tabakasi (6) mekanik dayanimi yüksek, termal iletkenligi yüksek ve çalisma kosullarina dayanabilecek malzemeden mamul edilmistir. Conta (2) ise sizintiyi önlemek, unsurlari bir arada tutmak için kullanilmaktadir. Örnegin gaz dagitim plakasi (3) ve titanyum elek plakasini (4) bir arada tutmak için conta (2) kullanilmaktadir. Bulus ile elektrokimyasal hidrojen kompresör (EHKH) sistemlerinde hücrelere gaz dagitiminda kullanilan sistemde gaz dagitim kanallari (7) içeren bir yapi gelistirilmistir. Bahsedilen sistem iki tabakali gaz dagitim plakasindan olusmaktadir. Iki tabakali gaz dagitim plakasinin ilk tabakasi gazlarin hücrelere girerek homojen dagitilmasi için kullanilmaktadir. Ilk tabakada, hücreye beslenen gazlarin anot (A) ve katot (K) tarafinda ana girisleri bulunmakta ve bu girisler Sekil-1 'de belirtilen geometride kanalin birinci tabakasina girmektedir. Gaz dagitim plakasindaki (3) gaz dagitim kanallari (7) yapilan analizler ile belirlenmistir. Ilk tabakadan sisteme giren gaz hemen üzerinde bulunan ve ilk tabakaya entegreli ikinci tabakada bulunan titanyum elek plakasindaki (4) bölgeye temas etmektedir. Ikinci tabakada gazlarin homojen bir sekilde gaz difüzyon tabakasina iletimi gerçeklestirilmektedir. Homojen bir sekilde gaz dagilimi ise gaz dagitim kanallari (7) ile birlikte titanyum elek plakasinin (4) yapisindaki titanyum plakalarin entegre kullanimi ile saglanmaktadir. Gaz dagitim kanali (7) tasarimi titanyum elek plakasina (4) etkin gaz dagilimi saglayacak sekilde yapilmistir. Sekil-2'de gösterilen ikinci tabakada bulunan titanyum elek plakasinda (4) titanyum yerine titanyum katkili çelik, ostenit nikel-krom alasimi da kullanilabilmektedir. Titanyum elek plakasinin (4) çapi 100.00 mm'dir. Kanal tasariminin belirlenmesi için Solidworks kati modelleme ile gaz dagitim plakalarinda gaz dagilimi ve basinç düsmesi analizleri yapilmistir ve bu analizlere göre geometrisi belirlenmistir. Hücrede kullanilan MEA aktif alanina ve hücreye beslenen gaz akis hizlarina göre gaz girislerinin çaplari belirlenmistir. Titanyum elek plakanin çapi ise EKHK hücresinde kullanilan MEA ile ayni olmalidir. Ayrica üretilecek EKHK kapasitesine göre hücre aktif alani artabilir veya azalabilir. Bu nedenle titanyum elek plakanin çapi EKHK MEA aktif alanina göre degisebilmektedir. Iki tabakali yapi sayesinde tüm plaka boyunca homojen gaz dagilimi ve düsük basinç kaybi saglanmaktadir. Hücreye ilk tabakadan gelen gazlar, uygun akis kanali ile hücreye girip dagilarak hemen üzerindeki gözenekli tabakadan hücrenin membran elektrot tabakasi (6) tabakasina ulasmaktadir. Bu sayede gazlarda basinç düsmesi olmadan gözenekli tabakaya iletilmektedir. Gözenekli tabakanin da farkli bölgelerinden gaz beslemesi oldugu için hücreye giren gazlar membran elektrot tabakasi (6) üzerinde daha homojen bir sekilde dagilmaktadir. Sekil-1'de verilen gaz dagitim plakasinda (3) anot (A) tarafina ait bir adet anot gaz girisi (A.1), bir adet anot gaz çikisi (A2) ile katot (K) tarafina ait iki adet katot gaz çikisi (K.1) bulunmaktadir. Anot (A) tarafina beslenen Hz veya Hz içeren karisim gaz dagitim kanali (7) yardimiyla hücreye girmekte ve hemen üzerine entegre edilmis olan titanyum elek plakasi (4) vasitasiyla hücreye dagilarak reaksiyona girmekte ve katot (K) tarafina dogru ilerlemektedir. Reaksiyona girmeyen Hz veya varsa diger karisim gazlari anot gaz çikisindan (A.2) çikmaktadir. Elektrokimyasal Hidrojen Kompresörlerde yüksek basinç kosullarinda hücrenin mekanik dayanimi göz önüne alindiginda titanyum malzemelerin kullanilmasi daha verimli sonuçlar vermektedir. Bütünlesmis gaz dagitim plakalarinda kullanilan titanyum elek plakasi (4) hem hücrede kullanilan membran elektrot ataci (MEA) tabakasina mekanik destek saglayarak anot (A) ve katot (K) arasinda olusacak yüksek basinç farkini korumaktadir. Bulus kapsaminda tasarlanan gaz dagitim kanali (7) yapisi ile gazlar, gaz dagitim kanallarindan (7) titanyum elek plakasina (4) hizli bir sekilde gelmekte ve titanyum elek plakasi (4) üzerinden gaz difüzyon elektrotlarin farkli bölgelerine homojen olarak dagilmaktadir. Sekil-6'da sag tarafta verilen katot (K) tarafindaki akis kanallari sayesinde de anot (A) tarafindan reaksiyona girerek ilerleyen Hz veya Hz içeren karisim hücre disina çikmaktadir. TR TR TR TURIFNAME high temperature electrochemical hıdrogen compressors for the integrated gas distribution plate is related to the technical field in which finding: Mevus, a homogeneous gas distribution in the cells and less pressure, developed to ensure that the gas cell is enters into the cell and provides the disposal of the plate in the sieve structure and the plate of the plate. It is related to the combined gas distribution plate that provides more homogeneous gas transfer to the gas diffusion layer. Known state of the art: Fuel cell systems, which are one of the most important application areas of hydrogen (1-12) energy, are technologies that have begun to be used commercially in many applications. However, there are some factors such as economic and logistics that prevent the commercialization of these systems. Especially difficulties related to HZ pressurization, storage and shipment cause the HZ supply cost to increase significantly. Current compressor technologies for pressurization in systems where Hz is produced on-site are expensive and low-efficiency systems in terms of both investment costs and maintenance and repair costs. As an alternative to high-cost classical Hz compressors, Electrochemical Hydrogen Compressors (EKHK) with high efficiency and capacity are systems that have started to be used for Hz pressurization and purification in recent years. EKHK systems have many advantages over classical methods. The fact that EKHK systems are smaller than traditional systems allows them to compress the same amount of gas to the same pressure, in a smaller volume and weight, more efficiently. Since these systems do not contain any moving parts, the risk of malfunction, maintenance and repair costs and noise level during the compression process are low. Oil and metal used in traditional compressor systems cause wear on compressor parts due to Hz brittleness and cause Hz contamination during pressurization. Since there is no need for oil in Electrochemical Hydrogen Compressors, high purity Hz is obtained through the compression process. EKHK can be scaled more easily than conventional systems depending on the type of application. In Electrochemical Hydrogen Compressor systems, the Hz purification rate depends on the gas content fed to the system, the components used in the cell and the cell design. In cell design, one of the most important parameters affecting the performance of Electrochemical Hydrogen Compressor (ECHC) systems is the design of the gas distribution channels through which hydrogen and/or reformate gas mixture is distributed to the cells. Gas flow channels of Electrochemical Hydrogen Compressors, especially water discharge, have a significant impact on flow rate, pressure drop, mechanical strength and temperature distribution. The gas distribution channel geometry in the system should be designed to ensure homogeneous gas distribution. In addition, since H2 pressurization will be carried out in addition to purification in the electrochemical hydrogen compressor, a flow geometry that will minimize the pressure drop should be used. Due to high pressure, the gas distribution plates used in the cell must both provide effective gas distribution and be resistant to high pressures. The state-of-the-art document numbered "AU3054092A" is related to the membrane electrode combination with gas flow channels for fuel cells. The inclusion of gas flow passages within the electrode material allows the use of thin, lightweight separation layers. Thus, it provides higher power-to-volume and power-to-weight ratios than conventional fuel cells with carved, milled or molded gas flow passages. In the study that is the subject of the invention, new gas distribution plates were developed to increase the performance of already known EKHKs. In this study, the MEA structure includes membrane, catalyst and gas diffusion layer. It describes a system in which openings in the cell stack can be safely sealed at low costs in an electrochemical system such as a fuel cell system or an electrochemical compressor system. Elastomer materials such as silicone, viton or EPDM (ethylene/propylene-diene terpolymer) are used in the coating. By ensuring sealing, hydrogen diffusion is reduced to an extremely low degree by the gasket. The trapezoid-shaped electrochemical cell stack design, connected as hydrogen and air-based, explains the different cell design with a trapezoidal geometry different from the standard rectangular shaped systems developed to increase cell performance in electrochemical systems such as fuel cells, especially in which two reactant gases based on hydrogen and air are used together. Due to the trapezoidal shape suggested in the electrochemical cell stack, the length of the gas inlet side and the gas outlet side differ from the length. In the specified system, lower gas stoichiometry is achieved compared to standard rectangular electrochemical cells. In this way, the design of hydrogen circulation devices becomes easier, the amount of power required for the air compressor to be used decreases as the air stoichiometry decreases, and thus the electrochemical cell efficiency increases. The design of gas distribution plates that direct the flow of Hz and/or Hz-containing gas mixtures entering the electrochemical hydrogen compressor stack is an important parameter that affects the pressure drop on both the anode and cathode sides and therefore the performance of the electrochemical hydrogen compressor. When the gas distribution channel geometries used in current applications are examined, it is seen that gas distribution plates similar to proton exchange membrane fuel cells are frequently used in electrochemical hydrogen compressor operations. However, the working principles of the electrochemical hydrogen compressor and PEM fuel cells are different, and due to the high pressure operating conditions in the electrochemical hydrogen compressor, components with high mechanical strength and effective gas distribution must be used. Gas distribution plates with gas flow channels made of graphite and similar materials, which are frequently used in PEM fuel cells, are not suitable for the operating conditions of the electrochemical hydrogen compressor. In existing systems, bipolar plates with flow channels along the entire plate are generally used to distribute Hz and/or gas mixtures containing Hz into the cell, and the gases move to the membrane through the cell gas diffusion layer in contact with the bipolar plate. In this case, as the cell moves through the flow channel, it comes into contact with the gas diffusion layer and there is a pressure drop along the flow channel, resulting in a decrease in cell performance. Bipolar plates are used for gas distribution in classical PEM fuel cells and Electrochemical Hydrogen Compressor systems. In these classical bipolar plates, flow channels that allow the flow of gases are located throughout the plate and provide access of the gases to the membrane electrode unit (MEA) located right in front of the bipolar plate. The membrane electrode unit (MEA) in the cell consists of a proton-permeable membrane and a gas diffusion layer coated with a catalyst on both surfaces. This diffusion layer is a completely different component from gas distribution plates. In systems using a bipolar plate with a flow channel along the plate, a pressure drop occurs as the gases flow in the flow channel. This situation causes problems in high pressurization conditions in EKHK systems. Apart from PEM fuel cells, titanium porous plates can also be used as bipolar plates in some electrolyzer and electrochemical hydrogen compressor systems. However, in this case, since there is no flow channel, the gases entering the cell quickly enter the cell through the porous structure and some of the fed gas leaves the cell without reacting. The gas entering the cell cannot be distributed homogeneously on the MEA. This situation causes unwanted efficiency loss in the systems. As a result, due to the negativities described above and the inadequacy of existing solutions on the subject, it has become necessary to make a development in the relevant technical field. Brief Description and Objectives of the Invention The most important purpose of the invention is to provide resistance to high pressures and to obtain a homogeneous gas distribution in the cells, especially by supporting the MEA structure within the cell. With the developed combined gas distribution plate, after the gas enters the cell, it is distributed into the cell through the titanium plate in the sieve structure. Thanks to the porous structure of the plate, the gas is distributed more homogeneously into the diffusion layer. Thus, a homogeneous gas distribution in the cells and less. Another aim of the invention is that the membrane located between the anode and cathode can have high tolerance to impurities, high temperature resistance, low gas permeability and high mechanical strength for hydrogen pressurization. For this purpose, the membrane is made of a material that can withstand operating conditions. Another aim of the invention is to ensure homogeneous distribution of the gases fed to the cell without pressure drop on the catalyst layer. Explanation of Figures: FIGURE-1; This is the drawing showing the anode and cathode side gas distribution channel design in the system subject to the invention. FIGURE-2; This is the drawing showing the design of the anode side gas distribution channel integrated with the titanium sieve gas distribution media in the system subject to the invention. FIGURE-3; This is a drawing showing the view of the gas distribution plate in the disassembled electrochemical hydrogen compressor in the system subject to the invention. FIGURE-4; It is the view of the combined gas distribution channel developed in the system subject to the invention placed within the electrochemical hydrogen compressor cell. FIGURE-5; The subject of the invention is the drawing giving the technical drawing of the combined gas distribution channel. FIGURE-B; Definitions of the Elements and Parts Constituting the Bipolar Invention in the electrochemical hydrogen compressors in the current system. In order to better explain the double-layer gas distribution plate developed with this invention, the parts and elements in the figures are numbered and the equivalent of each number is given below: Compression plate Gas distribution plate Titanium sieve plate Gas diffusion electrode Membrane electrode layer 8. Combined gas distribution plate A.I Anode gas inlet A.2 Anode gas outlet K.1 Cathode gas outlet Detailed Explanation of the Invention The invention was developed to provide a homogeneous gas distribution and less pressure drop in the cells, the gas is transferred to the cell. It is related to the combined gas distribution plate (8), which provides more homogeneous gas transfer to the gas diffusion layer due to the porous structure of the plate, which allows it to be distributed into the cell over the titanium plate in the form of a sieve after entering the gas. Cell components; compression plate (1), gasket (2), gas distribution plate (3), titanium sieve plate (4), gas diffusion electrode (5), membrane electrode layer (6) and channel (7). The combined gas distribution plate (8) consists of the gas distribution plate (3), titanium sieve plate (4), and there are channels (7) in the gas distribution plate (3). Compression plate (1) is a component that brings together the Electrochemical Hydrogen compressor. Compression plates (1) located on the anode (A) and cathode (K) side of the compressor are tightened with screws to prevent gas leakage in the cell due to use at high pressures. One of the most important components affecting the performance of the system is the membrane electrode layer (6). The membrane electrode layer (6) is located between the anode (A) and cathode (K). The membrane together with the anode (A), cathode (K) and other elements constitute the electrode unit. The membrane electrode layer (6) has high tolerance to impurities, high temperature resistance, low gas permeability and high mechanical strength for hydrogen pressurization. The membrane electrode layer (6) is made of material with high mechanical strength, high thermal conductivity and can withstand working conditions. The gasket (2) is used to prevent leakage and to keep the elements together. For example, a gasket (2) is used to hold the gas distribution plate (3) and the titanium sieve plate (4) together. With the invention, a structure containing gas distribution channels (7) has been developed in the system used to distribute gas to the cells in electrochemical hydrogen compressor (EHKH) systems. The mentioned system consists of a two-layer gas distribution plate. The first layer of the two-layer gas distribution plate is used to distribute gases homogeneously into the cells. In the first layer, the gases fed to the cell have main inlets on the anode (A) and cathode (K) side, and these inlets enter the first layer of the channel in the geometry specified in Figure-1. The gas distribution channels (7) in the gas distribution plate (3) were determined by the analysis. The gas entering the system from the first layer contacts the area on the titanium sieve plate (4) located immediately above it and in the second layer integrated into the first layer. In the second layer, gases are transmitted homogeneously to the gas diffusion layer. Homogeneous gas distribution is achieved by the integrated use of titanium plates in the structure of the titanium sieve plate (4) along with the gas distribution channels (7). The design of the gas distribution channel (7) is made to ensure effective gas distribution to the titanium sieve plate (4). Titanium-doped steel and austenite nickel-chromium alloy can also be used instead of titanium in the titanium sieve plate (4) located in the second layer shown in Figure-2. The diameter of the titanium sieve plate (4) is 100.00 mm. To determine the channel design, gas distribution and pressure drop analyzes were performed on the gas distribution plates using Solidworks solid modeling, and the geometry was determined according to these analyses. The diameters of the gas inlets were determined according to the MEA active area used in the cell and the gas flow rates fed to the cell. The diameter of the titanium sieve plate should be the same as the MEA used in the ESC cell. Additionally, the cell active area may increase or decrease depending on the ECC capacity to be produced. For this reason, the diameter of the titanium sieve plate may vary depending on the active area of the EKHK MEA. Thanks to the two-layer structure, homogeneous gas distribution and low pressure loss are ensured throughout the entire plate. Gases coming into the cell from the first layer enter the cell through the appropriate flow channel and disperse, reaching the membrane electrode layer (6) of the cell through the porous layer just above it. In this way, gases are transmitted to the porous layer without a pressure drop. Since there is gas supply from different parts of the porous layer, the gases entering the cell are distributed more homogeneously on the membrane electrode layer (6). In the gas distribution plate (3) given in Figure-1, there is one anode gas inlet (A.1) belonging to the anode (A) side, one anode gas outlet (A2) and two cathode gas outlets (A.2) belonging to the cathode (K) side. K.1) is available. Hz or the mixture containing Hz fed to the anode (A) side enters the cell with the help of the gas distribution channel (7) and reacts by being distributed into the cell through the titanium sieve plate (4) integrated above it and proceeds towards the cathode (K) side. Unreacted Hz or other mixture gases, if any, come out of the anode gas outlet (A.2). Considering the mechanical strength of the cell under high pressure conditions in Electrochemical Hydrogen Compressors, the use of titanium materials provides more efficient results. The titanium sieve plate (4) used in the integrated gas distribution plates protects the high pressure difference that will occur between the anode (A) and cathode (K) by providing mechanical support to the membrane electrode attachment (MEA) layer used in the cell. With the gas distribution channel (7) structure designed within the scope of the invention, gases come quickly from the gas distribution channels (7) to the titanium sieve plate (4) and are distributed homogeneously to different regions of the gas diffusion electrodes over the titanium sieve plate (4). Thanks to the flow channels on the cathode (K) side given on the right side in Figure-6, Hz or the mixture containing Hz, which reacts and progresses by the anode (A), comes out of the cell. TR TR TR

TR2021/019653 2021-12-10 2021-12-10 Integrated gas distribution plate for high temperature electrochemical hydrogen compressors. TR2021019653A2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/TR2022/051454 WO2023107080A2 (en) 2021-12-10 2022-12-08 Integrated gas distribution plate for high-temperature electrochemical hydrogen compressors

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TR2021019653A2 true TR2021019653A2 (en) 2023-06-21

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1220347B1 (en) Polymer electrolyte fuel cell stack
US7479341B2 (en) Fuel cell, separator plate for a fuel cell, and method of operation of a fuel cell
CN107732278B (en) Fuel cell stack assembly
KR100699659B1 (en) Polymer Electrolyte Fuel Cell
JP2006519468A (en) Electrochemical cell stack based on externally manifolded membrane
CN1493092A (en) Stamped bipolar plate for PEM fuel stack
EP2549573A1 (en) Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell stack equipped with same
EP2675007A1 (en) A gas flow dividing element
US20120178004A1 (en) Fuel cell
JP2004146303A (en) Fuel cell
US6709782B2 (en) Fuel cell having an anode protected from high oxygen ion concentration
US20080102334A1 (en) Pressure relief feature for a fuel cell stack
JP7285638B2 (en) System containing fuel cell with proton exchange membrane that suppresses fuel leakage
TR2021019653A2 (en) Integrated gas distribution plate for high temperature electrochemical hydrogen compressors.
US20220307142A1 (en) Electrochemical hydrogen compressor
US10804545B2 (en) Fuel cell
EP2325933B1 (en) Fuel cell and fuel cell stack provided with same
WO2023107080A2 (en) Integrated gas distribution plate for high-temperature electrochemical hydrogen compressors
JP5245232B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell
US8486575B2 (en) Passive hydrogen vent for a fuel cell
JP4397603B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell
US11855325B2 (en) Fuel cell stack
CN116888775A (en) Bipolar plate for an electrochemical cell, method for producing a bipolar plate, assembly for an electrochemical cell and method for operating an assembly for an electrochemical cell
CN110998941B (en) Cell structure of fuel cell and fuel cell system
CN111052474B (en) Stack structure of fuel cell and thermal strain absorbing method of fuel cell stack